電光直線行進式腔內準相位匹配光參量振盪器研究

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研究生：	周衍佑 Yen-You Chou
論文名稱：	電光直線行進式腔內準相位匹配光參量振盪器研究 The study of quasi-phase-matched optical parametric oscillators in electro-optically controlled linear travelling-wave intra cavity scheme
指導教授：	陳彥宏 Yen-Hung Chen
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
論文出版年：	2017
畢業學年度：	105
語文別：	英文
論文頁數：	70
中文關鍵詞：	光參量振盪器
外文關鍵詞：	optical parametric oscillator
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模態分為兩種，縱模 (Longitudinal mode)及橫模 (Transverse mode)。縱模，其特性為時間軸上的變化，影響其時間同調性；橫模，其特性為空間軸上的變化，影響其空間同調性。為了使雷射有好的空間同調性以及方便光波的傳導與聚焦，絕大多數的雷射架構都會將橫模設定為TEM00的基模態，因此對於模態的研究大多是針對縱模來進行相關的實驗研究，本論文實驗即是以產生單縱模為主要研究方向。
單模雷射具有高強度、頻譜寬度極窄、高準直性等特性，多被廣泛應用在光譜學、太空遙測、光纖通訊系統等。本論文實驗利用體積式布拉格光柵 (Volume Bragg Grating ,VBG)當作第二面輸出耦合鏡，取代介電質輸出耦合鏡，藉此窄化光參量震盪器之訊號光頻寬，同時利用晶體兩端設計之電光偏振模態轉換器調制 (Electro-Optic Polarization Mode Converter, EO PMC)其偏振，當光參量產生器產生訊號光，經過一段等效為四分之一波板之鈮酸鋰晶體，再透過電光偏振模態轉換器調制偏振角度，如此在共振腔來回共振之下，使光波在共振腔傳播時不產生駐波 (Standing wave)，而是以行進波(Traveling wave)的形式在共振腔中傳遞，藉此抑制同質性拓寬所造成的空間燒洞 (Special-hole burning)現象所產生的橫模。
本論文實驗比較光參量振盪器於駐波操作和電光偏振模態轉換器調制成行進波操作下訊號光頻譜及模態之變化，發現操作在行進波條件相較於駐波條件下，頻譜半高寬有明顯的窄化效果，頻譜半高寬從駐波操作下的0.1奈米在行進波操作下窄化至0.01奈米以下(光譜儀解析極限)。

The modes are divided into two types: Longitudinal mode and Transverse mode. Longitudinal mode: its characteristics for the time axis changes, affecting its temporal coherence; transverse mode: its characteristics for the changes in the spatial axis, affecting its spatial coherence. In order to make the laser has a good spatial coherence, facilitates the transmission and focus of light, the vast majority of the laser will be set to the transverse mode as TEM00 fundamental mode, To produce a single longitudinal mode is the main research direction of the experimental study.
Single-mode lasers with high intensity, very narrow spectral width, high collimation and other characteristics, are widely used in spectroscopy, space telemetry, optical fiber communication systems. In this study, the Volume Bragg Grating (VBG) is used as the second output coupling mirror to replace the dielectric output coupling mirror, which narrows the signal optical bandwidth of the optical parametric oscillator, then we use Electro-Optic Polarization Mode Converter ( EO PMC) to modulate polarization as two polarization rotators on both ends of optical parametric gain medium (OPGM), so that the light waves in the cavity will not produce standing wave but in the form of traveling wave transmission in the cavity , which inhibits the homogeneity broadening that caused by the special-hole burning phenomenon produced transverse mode.
In this study, the comparison of the optical spectrum and the mode of the optical parametric oscillator in the standing wave operation and the electro-optical polarization modulator is carried out under the condition of the traveling wave. Compared with the standing wave, the half-height width has a narrowing effect, and the spectrum half-width is from 0.1 nanometer under standing wave operation narrowed to 0.01 nanometers below (our optical spectrometer resolution limit) under traveling wave operation.

目錄
中文摘要    vi
英文摘要    vii
致謝    viii
目錄    ix
圖目錄    xi
表目錄    xiii
第一章    緒論 
1.1 發展與歷史    1
1.2 非線性光學    1
1.3 鈮酸鋰晶體    2
1.4 雷射增益晶體Nd:YVO4    4
1.5 研究動機    6
1.6 內容概要    12
第二章    理論
2.1 相位匹配    13
2.2 準相位匹配    17
2.3 索爾克濾波器    18
2.4 光參量震盪器    20
2.5 體積式布拉格光柵    22
2.6 Fabry–Pérot 干涉    24


第三章    晶片設計與製程
3.1 光參量震盪器週期設計    27
3.2 黃光微影製程    28
3.3 週期性晶疇極化反轉製程 (poling)    30
3.4 蝕刻    33
3.5 晶片加工    34
第四章 實驗量測與結果分析
4.1 實驗架構    35
    4.1.1 共振腔模擬    36
4.2 光參量震盪器特性量測    39
    4.2.1 光參量震盪器波長調制    39
    4.2.2 光參量震盪器頻譜寬度之量測-行進波及駐波條件下之頻寬量測比較    40
    4.2.3 雷射脈衝寬度之量測-行進波及駐波條件下之脈寬量測比較    49
4.3 Fabry–Pérot 干涉環分析頻譜    52
第五章 結論與未來展望
5.1 結論    54
5.2 未來展望    55
    5.2.1連續波單縱模光參量振盪器    55

參考文獻    56



圖目錄

    圖1.鈮酸鋰各原子相對位置與偏極化方向之關係示意圖    3
    圖2.自發偏極化雙穩態示意圖望    4
    圖3. Nd:YVO4之螢光頻譜 (Fluorescence Spectral)     5
    圖4.Nd:YVO4之吸收頻譜 (Absorption Spectral)     6
    圖5.共振腔增益曲線與共振頻率相對關係圖    8
    圖6. 三明治式三段單塊結構鈮酸鋰晶體    8
    圖7.高光參量增益時EO OPO EO 晶片的操作模式示意圖    9
    圖8.低光參量增益時EO OPO EO 晶片的操作模式示意圖    9
    圖9. 使用高增益機制之實驗架構圖    10
    圖10. 光參量振盪器濾波實驗結果圖    10
    圖11. 使用低增益機制之實驗架構圖    11
    圖12. 光參量振盪器實驗結果圖    11
    圖13. 動量守恆示意圖    13
    圖14.負光軸晶體調變角度達到相位匹配    14
    圖15.負光軸晶體調變溫度達到相位匹配    15
    圖16.空間離散效應示意圖    16
    圖17. QPM和BPM在光經過非線性轉換後的強度關係圖    17
    圖18.索爾克濾波器示意圖    18
    圖19. 索爾克濾波器在鈮酸鋰晶體上的呈現    19
    圖20.單一正負交疊晶疇之電光偏振調制過程    20
    圖21.光參量產生能量守恆示意圖    20
    圖22.光入射布拉格結構產生穿透光與繞射光示意圖    23
    圖23.平面波入射etalon示意圖    25
    圖24.黃光微影製程流程圖    28
    圖25.週期性晶疇極化反轉製程流程圖    30
    圖26. 極化反轉過程示意圖    30
    圖27. 極化反轉製程步驟    32
    圖28. 極化反轉外加電場圖    33
    圖29. 晶片蝕刻+Z面之結果    33
    圖30. 晶片加工流程圖    34
    圖31.  裁切後晶片圖    34
    圖32. 實驗架構圖    35
    圖33. 單塊鈮酸鋰晶體三段式結構示意圖    36
    圖34.  雷射共振腔元件及尺寸位置示意圖    37
    圖35. 波長1064nm在共振腔光點大小模擬圖    38
    圖36.  波長1532 nm在共振腔光點大小模擬圖    38
    圖37.  波長1532 nm共振腔內光束波前曲率模擬    39
    圖38. 1064nm和1532nm非相位匹配和頻轉換628nm紅光圖    40
    圖39.  訊號光頻譜圖    41
    圖40.  OPO條件下不施加電壓之訊號光頻譜圖    42
    圖41.  OPO條件下只施加後段電壓訊號光頻譜圖    42
    圖42.  OPO條件下只施加前段電壓訊號光頻譜圖    43
    圖43.  OPO條件下同時施加前後兩段電壓訊號光頻譜圖    44
    圖44.  OPG頻譜與VBG反射頻譜疊合圖    45
    圖45.  理想情形之架構分段頻譜模擬圖    46
    圖46.  VBG窄化之光參量震盪器訊號光頻譜模擬疊合圖    47
    圖47.  施加前段EO PMC電壓之模擬與實際量測結果疊合圖    47
    圖48.  施加後段EO PMC電壓之模擬與實際量測結果疊合圖    48
    圖49. 同時施加前後兩段電壓之模擬與實際量測結果疊合圖    48
    圖50.  1532nm脈衝寬度和尖峰功率對應泵浦強度關係圖    49
    圖51.  駐波操作下1532 nm訊號光脈衝波形圖    50
    圖52.  行進波操作下1532 nm訊號光脈衝波形圖    50
    圖53.  1532 nm訊號光雷射脈衝連續圖    51
    圖54.  Febry-Perot 干涉儀架構圖    52
    圖55.  Febry-Perot模擬圖疊合外腔式單模雷射量測干涉圖    53
    圖56. 連續波單縱模光參量振盪器架構示意圖    55
表目錄

    表1. 三種非線性材料特性的比較    2
    表2. Nd:YVO4之晶體特性    5 

                                

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